[0001] 本专利涉及一种探究直观展现空间磁场强弱的非常规电解液面情况的双向洛伦兹力的演示装置与方法，属于物理演示实验领域。

[0002] 在大学物理的电磁学教学中洛伦兹力是一个重要内容，通常用阴极射线在磁场中的偏转来演示洛伦兹力显现，由于条件所限，不便于学生自制使用，在实践教学中发明人曾用加直流电(干电池供电)的盐水加环形磁体，其方向单一，也不便于调换磁极，在同一电解液中没有磁极(N、S)比对，也没有磁场过渡的区域条件下的洛伦兹力演示，现有技术如，中国发明专利CN 102855797 B，一种演示带电粒子在匀强磁场中运动规律的实验装置，用交流电源通过二极管改变电流流动方向的励磁电流实现磁场(磁极)方向的改变，或励磁装置为环形磁铁，特点是：强调均匀磁场情况下电流方向非交变的洛伦兹力演示(实验容易引导学生认为产生洛伦兹力只存在于非交变电场驱动的带电粒子在磁场中的运动而产生的)；以往同类实验均是电解液液面初始处于水平液面(学生们认为只有电解液表面为平面的才能实现旋转效应)，以往人们为了更加明显地观察实验现象在电解液表面加漂浮物被电解液拖动的滞后效应，且在液面上不能直观呈现磁场强弱分布。现有技术存在亟待解决的技术问题：1.以往技术不能实现在一个装置中直观体现不同的磁极方向的洛伦兹力，2.磁场在电解液空间的强弱分布及洛伦兹力大小对比也不能直观展现出来，3.也没有电解液表面初始为稳定的凹凸液面情形的洛伦兹力演示，4.没有演示电解液中氢氧根OH‑的洛伦兹力运动规律与电解液表面漂浮物运动规律之间的联系，现有技术与方法也不能满足学有余力的学生对电解液演示洛伦兹力系列问题的拓展研究，缺少对应低成本的综合类创新实验装置和演示方法，为了培养学生的探索与实践能力，本专利就要解决这一问题。本专利是研究团队全体发明人在多年的教学实践研究中形成的创造性成果。

[0003] 参考文献，专利

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[0037] 本专利是解决空间磁场强弱直观分布的电解液面为凹凸液面的洛伦兹力现象演示的相关系列问题，着重解决两个磁极致使电解液液面布满的全同泡沫铁磁质小球(泡沫小球表面粘贴地热管道沉积粉末、或铁粉)集体呈现凹凸液面的双向洛伦兹力演示的装置与方法。

[0038] 本专利技术方案：一种电解液空间凹凸液面的双向洛伦兹力演示方法，主要由盛液装置、环电极、电源、环形磁体a与环形磁体b(或者U形磁体)、柱形电极(如，电池碳棒)、绝缘包皮导线、大号泡沫球d和全同泡沫铁磁质小球构成，其特征是：盛液装置是直径为10cm的透明塑料(或者玻璃)培养皿，且在侧面画出等高线，相邻等高线的间隔宽度为1mm，用于观察盛放电解液(由NaCL的饱和水溶液、或者HCL与NaCL混合而成)和全同泡沫铁磁质小球的位置；所述的盛液装置置于环形磁体a与环形磁体b上方；所述环电极固定于盛液装置内侧底部，环电极与电源正极相连，所述的电源是可以改变输出电流电压的直流电源(输出电压3V‑24V)，或者超低频电源(输出电压3V‑24V的交流电，最低频率0.1赫兹)，环电极直径略小于盛液装置的内直径，环电极是等间距去掉绝缘包皮的铜导线制成的环形电极，所述的柱形电极是导电碳棒(如，电池碳棒；直径为0.5cm‑1cm)，柱形电极垂直固定在盛液装置中心处，柱形电极的轴心延长线过盛液装置中心和环形磁体a的中心(柱形电极的外径小于环形磁体a的内环半径)，柱形电极外表面沿着柱体母线方向等间距覆盖绝缘薄膜；所述的绝缘包皮导线的一端固定柱形电极、环电极上，绝缘包皮导线的另一端与电源开关相连接，柱形电极垂直固定(用热熔胶固定)在盛液装置底面中心处，柱形电极的轴心延长线过盛液装置中心和环形磁体a的中心，所述的柱形电极的轴心延长线与环形磁体a的中心轴和环形磁体b的中心轴重合；环形磁体a与环形磁体b的磁化(表面磁场)方向沿着轴线方向(表面处磁感应强度垂直于表面)，环形磁体a和环形磁体b磁极反向且之间由餐巾软纸压实隔离固定；环形磁体a与环形磁体b的磁极朝向相反放置在铁盘上并吸附在铁盘上，或用热熔胶固定；
(也就是：如附图2，环形磁体a和环形磁体b磁极反向，环形磁体a和环形磁体b之间由餐巾软纸压实隔离固定，否则环形磁体a外侧吸附在环形磁体b内侧不能同心；磁极朝向相反放置在铁盘上并吸附在铁盘上，或用热熔胶固定在铁盘上)；

[0039] 盛液装置的侧面以盛液装置的中心轴为对称轴对称固定着4个固定环，两个相同的竖直杆竖直固定在水平放置的铁盘上，竖直杆穿过固定环，所述的固定环的侧面有螺纹孔由与螺纹孔相匹配的螺栓穿过螺纹孔固定竖直杆，也就是固定盛液装置处于环形磁体a与环形磁体b上方的水平状态，竖直杆的外径与固定环的内径相匹配，在竖直杆上标有刻度用于记录盛液装置与环形磁体a与环形磁体b的竖直间距，根据实验需要调节盛液装置与环形磁体a与环形磁体b的间距，环形磁体a与环形磁体b在盛液装置的正下方，使盛液装置的电解液液面布满一层漂浮的全同泡沫铁磁质小球(全同泡沫铁磁质小球的集合)呈现凹凸曲面的几何形状(全同泡沫铁磁质小球之间由液体的表面张力、粘滞力和被环形磁体a与环形磁体b磁化形成的相互作用力、全同泡沫铁磁质小球还受到液体的浮力等)；

[0040] 所述的全同泡沫铁磁质小球是塑料泡沫小球是直径1mm左右微颗粒塑料泡沫小球(市面上的护理颈部靠枕里面的白色塑料泡沫小球)的外层均匀布满粘贴铁粉颗粒(或者地热管道三通阀里面的沉积粉末，也是铁磁性成分比较多，或者泡沫箱上的泡沫颗粒直径4mm‑5mm，表面用胶水浸润然后放到地热管道三通阀里面的沉积粉末中搅拌，泡沫小球的外表面就固定了铁磁性材料)，称为：a型全同泡沫铁磁质小球，保证粘贴后的全同泡沫铁磁质小球浸电解液后的平均密度仍然明显小于盐水(食盐水、电解液)的密度；所述的全同泡沫铁磁质小球还包括在泡沫小球外布满粘贴的铁粉或地热沉积粉末外表面再电镀一层薄铝膜(防水层)，这样制成的全同泡沫铁磁质小球外表是导体层，称为：b型全同泡沫铁磁质小球；所述的全同泡沫铁磁质小球还包括用熔化石蜡在泡沫小球外布满粘贴的铁粉或地热沉积粉末外表面包裹一层(绝缘层，防水层)，制成的全同泡沫铁磁质小球是外表绝缘的全同泡沫铁磁质小球，称为：c型全同泡沫铁磁质小球；所述的b型全同泡沫铁磁质小球和c型全同泡沫铁磁质小球平均密度均明显小于盐水(食盐水、电解液)的密度；还可以制作比所述的全同泡沫铁磁质小球更小的石蜡包裹铁磁质颗粒小球以替代全同泡沫铁磁质小球：用熔化的石蜡溶液向铺设在硬纸板上处于常温下的铁粉颗粒、地热管道三通阀里面的沉积粉末喷射形成平均密度小于电解液密度的颗粒(外围为石蜡包裹着)，或者铁粉颗粒、地热管道三通阀里面的沉积粉末在熔化的石蜡溶液中均匀搅拌后装在喷射器中喷射出后形成平均密度小于电解液密度的凝固颗粒；大号泡沫球d是直径较大的泡沫塑料球，密度小于盐水液体密度，其直径略小于环形磁体a和环形磁体b之间的间隙；

[0041] 前期实验准备：将盛液装置放置于环形磁体a与环形磁体b的上方一定位置处于水平固定于竖直杆上，并将环电极固定于盛液装置内侧底部，环电极连接直流电源正极，柱形电极(如，电池碳棒)连接直流电源负极，在盛液装置中加入电解液(电解液要浸没环电极)，调节盛液装置与环形磁体a与环形磁体b的间距使得电解液液面布满漂浮的全同泡沫铁磁质小球整体(集合)呈现的明显的凹凸曲面的几何形状(在环形磁体a与环形磁体b磁场的作用下电解液表面由平面变成曲面使得电解液的表面积增大，铺设单层不够用，根据实际铺设数量只要能达到明显的凹凸曲面的几何形状，也就是控制环形磁体a与环形磁体b和电解液间距及电解液的量，如，使凹凸曲面的最高和最低高度差在3mm以上肉眼能分辨即可，可以通过盛液装置在侧面画出的等高线观察凹凸曲面的最高和最低高度差)，在电解液表面上对应环形磁体a与环形磁体b之间放置一个大号泡沫球d；为了记录方便，把录像设备架起来镜头正对整个装置(全同泡沫铁磁质小球、柱形电极在镜头的视野范围内清晰可见)开始录像；接通直流电源开关后，柱形电极浸没电解液的柱形电极表面上有大量气泡产生；

[0042] 实验1、在直流电源的情况下，接通电源开关，环电极接电源正极，柱形电极连接直流电源负极，在没有加环形磁体a与环形磁体b前，电解液上面全同泡沫铁磁质小球没有明显运动趋势；加环形磁体a与环形磁体b后，在环形磁体b的S极上面的a型全同泡沫铁磁质小球随着电解液(盐水)流顺时针转动(俯视看)，在环形磁体a的N极a型全同泡沫铁磁质小球随着电解液(盐水)流逆时针转动；也就是从凹凸曲面的几何形状空间分布看，在电解液表面液面最低凹曲处(数学上的极值)处，a型全同泡沫铁磁质小球环绕转动角速度大(相对液面最低凹曲处之外)；在环形磁体a与环形磁体b之间对应的电解液表面处于水平面处(临界位置，运动方向反向过渡位置)，几乎看不到a型全同泡沫铁磁质小球环绕运动(受洛伦兹力环绕，这是一个环绕方向改变的过渡带)；

[0043] 实验2、在直流电源的情况下，接通电源开关，环电极接电源正极，柱形电极连接直流电源负极，用马蹄形磁体(U型磁体)代替环形磁体a与环形磁体b(马蹄形磁体的两个极N极和S极，磁极在U型磁体的两端面处，柱形电极仍处于盛液装置中心，马蹄形磁体仍处于如附图1(e)位置，所呈现的漂浮的a型全同泡沫铁磁质小球(的集合)整体呈现凹凸曲面的几何形状与环形磁体a与环形磁体b情形不同，磁极附近下凹明显；接通电源开关后，观察到a型全同泡沫铁磁质小球随着电解液(盐水)流从对应N极处逆时针转动与从对应S极处顺时针转动，导致在两磁极(N、S)之间的电解液上涌(N、S之间的电解液受到向上洛伦兹力，相对于接通电源开关前)，或下凹(N、S之间的电解液受到向下洛伦兹力，相对于接通电源开关前)；

[0044] 实验3、在直流电源的情况下，进一步的，所述的全同泡沫铁磁质小球，如果考虑泡沫外表面的铁粉或地热沉积粉末浸水(电解液)影响平均密度，可以在铁粉或地热沉积粉末外面再电镀一层薄铝膜，这样制成的全同泡沫铁磁质小球外表是导体层，记为b型全同泡沫铁磁质小球；或用熔化石蜡在铁粉或地热沉积粉末外包裹一层(绝缘层)，但这样制成的全同泡沫铁磁质小球外表绝缘了，记为c型全同泡沫铁磁质小球；也就是将所述的全同泡沫铁磁质小球分别使用b型全同泡沫铁磁质小球和c型全同泡沫铁磁质小球，重复实验1和实验2的操作过程，观察记录并通过电脑比对(b型全同泡沫铁磁质小球和c型全同泡沫铁磁质小球7)实验现象；

[0045] 实验4、进一步的，将上面实验1、实验3中的所述的直流电源换成超低频电源，也就是将所述的全同泡沫铁磁质小球分别使用a型全同泡沫铁磁质小球、b型全同泡沫铁磁质小球和c型全同泡沫铁磁质小球重复实验1、实验3的操作过程，超低频电源的频率从最低频率逐渐增加，观察记录频率在最低档位时和高档位时的电解液面及全同泡沫铁磁质小球运动规律，并通过电脑比对(a型全同泡沫铁磁质小球、b型全同泡沫铁磁质小球和c型全同泡沫铁磁质小球)实验现象；让学生观察分析规律的成因，有利于对交变电流(电场驱动方向周期性变化)情况下的洛伦兹力认识；在电源输出为最低频率，如频率为0.1赫兹，可以看到在电解液对应环形磁体a与环形磁体b的凹液面上全同泡沫铁磁质小球之间交替反向运动，也就是全同泡沫铁磁质小球集体逆时针(或顺时针)运动，过了一会又顺时针(或逆时针)运动，这样周期性的交替进行(也就是说在10秒内定向转动能够被视觉明显察觉到)；随着输出频率升高逐渐的趋于只用人眼的视觉(直接)看不到顺时针和逆时针的周期性运动(如果用录像设备录像在电脑中慢放也能察觉到周期性的转动)现象；

[0046] 实验5、进一步的，如果把全同泡沫铁磁质小球替换为全同泡沫铁磁质小柱状体，所述的全同泡沫铁磁质小柱状体是泡沫柱状体的下端固定铁磁质材料，也就是全同泡沫柱状体重心在全同泡沫柱状体浮力中心下方(泡沫柱状体可以在电解液中竖直漂浮)，在电解液面上离散着竖直放置一层全同泡沫铁磁质小柱状体(不用像全同泡沫铁磁质小球紧密排列，可以离散放置，主要通过浮力看全同泡沫柱状体浸润深度来显示磁场强弱)，将环形磁体a与环形磁体b在盛液装置的底部时全同泡沫柱状体的上表面的集合形成空间曲面(全同泡沫柱状体的高度保证不能全部浸没，下表面也不能触及盛液装置的内底面，也就是保持悬浮)，代表着磁场空间强弱分布，重复实验1和实验2操作过程；

[0047] 实验6、进一步的，如附图5，接通电源开关，环电极接电源正极，柱形电极连接直流电源负极；在接通直流电源前，在盛液装置中装一定量的电解液为NaCL的水溶液，将酚酞溶液加入NaCL的水溶液中搅拌均匀，液面静止后加入一层全同泡沫铁磁质小球，加环形磁体a与环形磁体b调整环形磁体a与环形磁体b与盛液装置的距离，使电解液液面的全同泡沫铁磁质小球集合形成明显凹凸空间曲面，把录像设备架起来镜头正对整个装置(看清全同泡沫铁磁质小球、柱形电极)在镜头的视野范围内清晰可见，开始录像；接通直流电源开关后，改变电源输出电压，观察红色线束运动，与全同泡沫铁磁质小球的运动比对分析；

[0048] 如附图5，OH‑离子在电场与磁场驱动下由中心负极向环电极正极方向(红色线条的)走向轨迹之一，柱形电极浸没电解液，接通直流电源开关后，在柱形电极表面上有大量气泡产生，并且从柱形电极开始向外环电极方向红色线束穿越全同泡沫铁磁质小球并随全同泡沫铁磁质小球旋转(红色线束有径向速度和横线速度)，随着电源输出电压增大红色线束穿越全同泡沫铁磁质小球的径向速度增大；从柱形电极(如，电池碳棒)表面的红色线束向环电极方向穿越全同泡沫铁磁质小球，并与全同泡沫铁磁质小球一同围绕柱形电极旋转，如果电源输出电压减小，很快红色线束在以柱形电极为中心做圆周运动(注意：电压低的时候扩散现象相对红色线束前进明显些，接通电源后，柱形电极浸没在液体中时的现象是从柱形电极开始向外延伸的红色线条(而不是接通电源开关后直接从柱形电极到环电极阳极之间同时出现红色线条)；当如果电源输出电压增大超过一定量时，很快红色线束在以柱形电极为出发点向环电极正极方向运动，如附图5(虚线箭头轨迹)，先是趋于直线段接近环形磁体a时逆时针环绕——从运动到环形磁体a外边缘到环形磁体b内边缘逆时针旋转方向转变为顺时针旋转环绕(过渡带)——进入环形磁体b区域顺时针旋转环绕到达环电极正极(电压高的时候扩散速度相对红色线束前进运动速度不明显)；大号泡沫球d被环形磁体a和环形磁体b吸附的全同泡沫铁磁质小球约束在环形磁体a和环形磁体b之间，受到大号泡沫球d边缘的液体反方向推到作用伴随有明显的自旋现象，这一点取决于大号泡沫球d边缘的液体给的作用，如果大号泡沫球d边缘的液体反方向推到作用力相等就呈现自转，否则就环绕柱形电极旋转同时伴随自转。

[0049] 实验7、进一步的，在实验6中电源换为超低频电源，重复实验6操作过程演示，观察现象，如果把直流电源换成超低频电源除了会看到实验4的现象，同时还会看到从柱形电极到环电极之间红色线条周期性的方向运动，也就是红色线条从柱形电极向环电极，又从环电极向柱形电极运动的周期性往复运动；

[0050] 实验8、在实验中电源换为高压静电电源(2千伏以上)，阴极附近与电解液之间被形成(吹成)空气隔离层，看到与所述的直流电源(输出电压3V‑24V)，或者超低频电源情形之外的实验现象；

[0051] 凹凸曲面的几何形状分析，电解液液面上的全同泡沫铁磁质小球集体形状能一定程度体现出空间磁场的分布强弱，因全同泡沫铁磁质小球由液体的表面张力、粘滞力和被柱状磁体a和柱状磁体b磁化形成的相互作用力、全同泡沫铁磁质小球还受到液体的浮力达到平衡，磁铁的磁极上方磁场强于其它处，使得电解液液面上全同泡沫铁磁质小球集体对电解液液面原先的平面变成(挤压约束)呈现凹凸曲面的几何形状，磁场强度大的地方凹的明显(洛伦兹力也大)，凹凸曲面的几何形状与磁铁的磁场大小呈现一定的对应关系，也就是通过全同泡沫铁磁质小球集体的几何形状就可以判断出对应位置的磁场弱；

[0052] 还包括：实验时候，将环形磁体a和环形磁体b之上放置带有透明密封盖的盛液装置，两条绝缘包皮导线的一头连接在电源开关，另一头穿过盛液装置分别与柱形电极和环电极连接密封(绝缘包皮导线与盛液装置之间密封)，实验的时候防止有害气体溢出，也便于携带且不溢出电解液。

[0053] 由表面张力引起的附加压强估算液面高度差可以维持的范围：在球体之间的围合缝隙(近似圆管内部)产生的附加压强，

[0054]

[0055] 其中，取全同泡沫铁磁质小球之间围合液体的等效半径为R，球体与液体接触角θ‑3 2取180度(不浸润)，液体表面张力系数α＝7.3×10 N/m，重力加速度g＝9.8m/s，密度取ρ＝
3 3
10kg/m，可以支撑的高度差h，

[0056] 取球之间的围合等效半径为R＝2mm，可以支撑的高度差h≈6.7mm；

[0057] 取球之间的围合等效半径为R＝1mm，可以支撑的高度差h≈13.3mm；

[0058] 取球之间的围合等效半径为R＝0.2mm，可以支撑的高度差h≈67mnm；

[0059] (以上估算近似用水的数据估算的，实际电解液是NaCL的水溶液，在电解液NaCL的水溶液的情况下对应参数略有变化，浓度为10％时，20摄氏度时密度为1.071g/ml；浓度为‑310％时，25摄氏度时表面张力系数为α＝7.59×10 N/m，浓度为10％盐水情况可以支撑的高度差h比水情况略高些)，这就要求在电解液面上的铺满(一层或者多层)全同泡沫铁磁质小球，尽量用小尺度(半径小)的全同泡沫铁磁质小球；也就是说，在盛液装置是直径10cm的透明塑料培养皿情况下，全同泡沫铁磁质小球集体(彼此围合的液体间距1mm到2mm)能约束液面在6.7mm到13.3mm高度差范围，人肉眼视觉明显看清液面的凸凹变化，为磁场强弱提供足够的空间呈现条件(如果想更大的满足电解液空间凹凸变化，可以选用小颗粒的全同泡沫铁磁质小球)；

[0060] 进一步的，如果把全同泡沫铁磁质小球替换为全同泡沫铁磁质小柱状体，所述的全同泡沫铁磁质小柱状体是泡沫柱状体的下端固定铁磁质材料，也就是全同泡沫柱状体重心在全同泡沫柱状体浮力中心下方(泡沫柱状体可以在电解液中竖直漂浮)，在电解液面上的离散着竖直放置一层(不用像全同泡沫铁磁质小球紧密排列，可以离散放置，主要通过浮力看全同泡沫柱状体浸润深度来显示磁场强弱)，全同泡沫柱状体的上表面的集合形成空间曲面，代表着磁场空间强弱分布，设全同泡沫柱状体的平均密度为ρ1、截面积为S和高度为H重力加速度为g，电解液密度为ρ，浸没电解液深度为h，液体的表面张力大小为T(其方向向上还是向下取决于物体浸润接触角度θ，取θ≈π)磁力F(作为估算，其大小可以利用等效磁荷qm1、qm2概念，r为两磁荷间距， 取 对于给定的产生磁场的磁铁和全同泡沫小柱状体中的铁磁质来说，k为常数)，得出

[0061]

[0062]

[0063] 对于给定的电解液和全同泡沫小柱状体来说，记

[0064]

[0065] C也是一定的常数，

[0066]

[0067] 全同泡沫小柱状体浸没深度h与磁体表面距离r的平方成反比。

[0068] 进一步的，电解液为酚酞溶液与NaCL的水溶液混合，电解液的溶液接通直流电后，溶液中会形成以柱形电极(如，电池碳棒)为中心与环电极之间的电场，溶液中的正负离子在径向电场强度E的作用下反向运动，没有宏观的定向移动，以及全同泡沫铁磁质小球集体+ ‑ + ‑导电也没有宏观的定向移动；在NaCL的水溶液中的H 、OH、Na、Cl 定向运动，环形铁线圈产生气体是因为在通电后整个装置构成了一个电解池，而环形铁线圈作为阴极，氢离子在阴极上得电子生成氢气，故环形铁线圈上有大量气泡产生。

[0069] 整个电解池的反应方程式为：NaCl+3H2O＝NaClO3+3H2，阴极电极反应：2H++2e‑＝‑H2，接通直流电源后，柱形电极(如，电池碳棒)附近开始OH浓度增多向外运动改变其前进位置的OH‑浓度，这个过程就是最初通电后柱形电极(如，电池碳棒)附近OH‑浓度(柱形电极+
(如，电池碳棒)消耗H产生氢气)开始增多呈现碱性(在酚酞溶液中呈现红色)，在电解液中加酚酞溶液，加磁场后受到洛伦兹力，就是看到红色线束向外远离柱形电极(如，电池碳棒)且绕着柱形电极(如，电池碳棒)运动；也就是，当接入外加磁场时，带电离子在磁场中受到与运动方向垂直的洛伦兹力的作用，也就是在同一方向的磁场作用下阴阳离子受到的洛伦兹力方向相同(f＝qv×B)，宏观上电解液做定向旋转运动；磁场的方向不同(N、S)，宏观上电解液做定向旋转运动的方向不同；全同泡沫铁磁质小球集体导电每个全同泡沫铁磁质小球受到安培力(宏观上安培力，微观上说是洛伦兹力)与电解液受洛伦兹力方向相同，同时‑
还能看到受到在主动力为电场力与洛伦兹力共同作用下OH (浓度增加)的前进方向(如附图5虚线轨迹运动箭头方向)；

[0070] 创造思想的来源，在家中更换供暖的地热管道分水器，分水器管道因近20年的沉积出现了比较厚的沉积层，放了一段时间干燥后结成块状，掉下来发现是粉末状(其线度目视比面粉还小)，就用强磁体去吸发现被磁铁吸附上来，而且块状变成粉末状，把粉末布满在装有水的塑料盒中漂浮在水的表面，用磁铁在塑料盒的底部随着磁铁所在处粉末整体挤压约束水面下凹，磁极(磁场最强)对应处下凹的最大，启发：这不就体现出空间磁场的变化了，作为漂浮物演示洛伦兹力实验一举多得。空间的变化表现磁场的强弱变化；实验时就是控制不好磁场强度，如果磁场强度太大直接就被吸附到水底下了(浸没)再也不能飘浮了，不能在短时间内重复使用；经过思考10多天后，想到用泡沫可以解决这个问题，正好家中10几年前买的泡沫颗粒(EPP泡沫微颗粒)颈部靠枕里面有白色小颗粒(约1mm直径)取出来，外面沾上分水阀中的沉积粉末(或者铁粉)制成全同泡沫铁磁质小球(或者泡沫箱上的泡沫颗粒直径4mm‑5mm，表面用胶水浸润然后放到地热管道三通阀里面的沉积粉末中搅拌，泡沫小球颗粒的外表面就固定了铁磁性材料)，达到了电场力作用电解液中的离子(全同泡沫铁磁质小球导电的情况下也受到与电解液中离子的同方向安培力，如果全同泡沫铁磁质小球不导电就受到电解液拖动而绕着柱形电极(如，电池碳棒)旋转)使其在磁场的作用下产生洛伦兹力做圆周旋转运动，可以看到强弱的空间分布，引起的洛伦兹力大小及旋转方向的效果，达到全同泡沫铁磁质小球漂浮且可以重复使用的预期效果(如果觉得泡沫外表面的铁粉或地热沉积粉末浸水影响平均密度，可以在铁粉或地热沉积粉末外面再电镀一层薄铝膜，这样制成的全同泡沫铁磁质小球外表是导体；或用熔化石蜡在铁粉或地热沉积粉末外包裹一层，但这样制成的全同泡沫铁磁质小球外表绝缘了)；电解液中从柱形电极(如，电池碳棒)流出红色线束启发：是在1997年给96级化学教育专业讲普通物理(现在称为：大学物理)洛伦兹力章节，想如何结合化学专业设计一个综合的实验，最初洛伦兹力演示是通过在磁场(永磁体)的作用下在通电的电解液上面放上漂浮物来演示电解液的洛伦兹力，但是漂浮物会滞后于电解液旋转，也会因离心力而甩出向外运动，不能同步代表离子的运动；后来想离子是如何运动的，如何避开漂浮物的惯性问题，又能间接看到离子集体运动，如氢氧根离子的运动，就想到可否用酚酞溶液来试验一下，结果发现在电压较大时一条红色线从裸漏(露)阴极处向阳极运动，确实出现非常多的有趣现象，后又于2011年指导大学物理课堂自动化2010级谢徐欢同学等尝试低电压情况、2017级化工学院黄兴同学等研究高压静电源供电情况，有趣的是阴极附近被吹成空气隔离层的洛伦兹力演示，为本专利的前期准备做了许多基础研究工作。

[0071] 本专利的有益效果：它的独特之处是与现有实验技术显著的不同，1.实现电解液液面表面初始状态下为稳定曲面的洛伦兹力演示实验，2.可以直观看到磁场空间的强弱变化对洛伦兹力运动规律的影响，3.在加直流电的电解液盛液装置底部放置异性磁极，可以看到在不同磁极处电解液的旋转方向不同，也就是双向洛伦兹力，也可以看到在两个磁极之间的电解液运动规律，4.超低频电源的从超低频逐渐升高，看到在电解液面的凹液面处柱形电极(如，电池碳棒)附近的全同泡沫铁磁质小球【由顺时针(或者逆时针)到逆时针(或者顺时针)】周期性的绕柱形电极(如，电池碳棒)旋转过渡到用肉眼难以观察到周期性的旋转现象，促进学生结合电磁学、光学理论理解解释这些现象，5.在电解液NaCL的水溶液中加入酚酞溶液(无色透明)，通直流电后(或者低频电源时候，柱形电极(如，电池碳棒)处于负‑极状态时)可以看到由柱形电极(如，电池碳棒)(产生氢气)OH浓度增多并开始向环电极方‑
向运动，可以直观展现OH在电场力与洛伦兹力作用下而绕着柱形电极(如，电池碳棒)运动‑
的规律，以及全同泡沫铁磁质小球是否与电解液中OH 同步绕着柱形电极(如，电池碳棒)旋转等；6.也就是看到宏观上液体上面的全同泡沫铁磁质小球的运动速度(大小、方向)分布和电解液中OH‑氢氧根离子运动走向(由酚酞显示)的异同；本专利涉及数学、力学、热学、电学、磁学、光学和化学等多学科的综合实验研究，不但提高学生对洛伦兹力的理解与认识，也提高学生的综合创新能力；制作极其简易，效果明显，这是一个不但促进大学生对洛伦兹力的理解，也具有明显的新颖性、独特性、趣味性、创造性强的探索性综合实验，在教学中推广会增加更多的教育功能。

[0078] 如附图1(前期准备试验实物示意图)、附图2(前期准备试验实物示意图)、附图3和附图4：一种电解液空间凹凸液面的双向洛伦兹力演示方法，主要由盛液装置1、环电极2、电源、环形磁体a 3‑1与环形磁体b 3‑2(或者U形磁体)、柱形电极(如，电池碳棒)4、绝缘包皮导线4‑1、大号泡沫球d 7‑1和全同泡沫铁磁质小球7构成，其特征是：盛液装置1是直径为10cm的透明塑料(或者玻璃)培养皿，且在侧面画出等高线，相邻等高线的间隔宽度为1mm，用于观察盛放电解液(由NaCL的饱和水溶液、或者HCL与NaCL混合而成)和全同泡沫铁磁质小球7的位置；所述的盛液装置1置于环形磁体a 3‑1与环形磁体b 3‑2上方；所述环电极2固定于盛液装置1内侧底部，环电极2与电源正极相连，所述的电源是可以改变输出电流电压的直流电源(输出电压为3V‑24V；或者超低频电源，输出电压为3V‑24V的交流电，最低频率为0.1赫兹)，环电极2直径略小于盛液装置1的内直径，环电极2是等间距去掉绝缘包皮的铜导线制成的环形电极，所述的柱形电极(如，电池碳棒)4是直径为0.5cm‑1cm的导电碳棒，柱形电极(电池碳棒)4垂直固定在盛液装置1中心处，柱形电极4的轴心延长线过盛液装置1中心和环形磁体a 3‑1的中心，柱形电极4外表面沿着柱体母线方向等间距覆盖绝缘薄膜；所述的绝缘包皮导线4‑1的一端固定柱形电极(如，电池碳棒)4、环电极2上，绝缘包皮导线4‑1的另一端与电源开关相连接，柱形电极4垂直固定(用热熔胶固定)在盛液装置1底面中心处，柱形电极4的轴心延长线过盛液装置1中心和环形磁体a 3‑1的中心，所述的柱形电极4的轴心延长线与环形磁体a 3‑1的中心轴和环形磁体b 3‑2的中心轴重合；环形磁体a 3‑1与环形磁体b 3‑2的磁化(表面磁场)方向沿着轴线方向(表面处磁感应强度垂直于表面)，如附图2，使环形磁体a 3‑1和环形磁体b 3‑2磁极反向，环形磁体a 3‑1和环形磁体b 3‑2之间由餐巾软纸压实隔离固定，否则环形磁体a 3‑1外侧吸附在环形磁体b 3‑2内侧不能同心；磁极朝向相反放置在铁盘上并吸附在铁盘6上，或用热熔胶固定在铁盘6上；

[0079] 盛液装置1的侧面以盛液装置1的中心轴为对称轴对称固定着4个固定环5，两个相同的竖直杆5‑1竖直固定在水平放置的铁盘6上，竖直杆5‑1穿过固定环5，所述的固定环5的侧面有螺纹孔由与螺纹孔相匹配的螺栓穿过螺纹孔固定竖直杆5‑1，也就是固定盛液装置1处于环形磁体a 3‑1与环形磁体b 3‑2上方的水平状态，竖直杆5‑1的外径与固定环5的内径相匹配，在竖直杆5‑1上标有刻度用于记录盛液装置1与环形磁体a3‑1与环形磁体b 3‑2的竖直间距，根据实验需要调节盛液装置1与环形磁体a 3‑1与环形磁体b 3‑2的间距，环形磁体a 3‑1与环形磁体b 3‑2在盛液装置1的正下方，使盛液装置1的电解液液面布满一层漂浮的全同泡沫铁磁质小球7(全同泡沫铁磁质小球7的集合)呈现凹凸曲面的几何形状(全同泡沫铁磁质小球7之间由液体的表面张力、粘滞力和被环形磁体a 3‑1与环形磁体b 3‑2磁化形成的相互作用力、全同泡沫铁磁质小球7还受到液体的浮力等)；

[0080] 所述的全同泡沫铁磁质小球7是塑料泡沫小球(直径1mm左右微颗粒，市面上的护理颈部靠枕里面的白色塑料泡沫小球)的外层均匀布满粘贴铁粉颗粒(或者地热管道三通阀里面的沉积粉末，也是铁磁性成分比较多，或者泡沫箱上的泡沫颗粒直径4mm‑5mm，表面用胶水浸润然后放到地热管道三通阀里面的沉积粉末中搅拌，泡沫小球颗粒的外表面就固定了铁磁性材料)，称为：a型全同泡沫铁磁质小球，保证粘贴后的全同泡沫铁磁质小球浸电解液后的平均密度仍然明显小于盐水(食盐水、电解液)的密度；所述的全同泡沫铁磁质小球7还包括在泡沫小球外布满粘贴的铁粉或地热沉积粉末外表面再电镀一层薄铝膜(防水层)，这样制成的全同泡沫铁磁质小球7外表是导体层，称为：b型全同泡沫铁磁质小球；所述的全同泡沫铁磁质小球7还包括用熔化石蜡在泡沫小球外布满粘贴的铁粉或地热沉积粉末外表面包裹一层(绝缘层，防水层)，制成的全同泡沫铁磁质小球7是外表绝缘的全同泡沫铁磁质小球7，称为：c型全同泡沫铁磁质小球；所述的b型全同泡沫铁磁质小球和c型全同泡沫铁磁质小球平均密度均明显小于盐水(食盐水、电解液)的密度；还可以制作比所述的全同泡沫铁磁质小球7更小的石蜡包裹铁磁质颗粒小球7以替代全同泡沫铁磁质小球7：用熔化的石蜡溶液向铺设在硬纸板上处于常温下的铁粉颗粒、地热管道三通阀里面的沉积粉末喷射形成平均密度小于电解液密度的颗粒(外围为石蜡包裹着)，或者铁粉颗粒、地热管道三通阀里面的沉积粉末在熔化的石蜡溶液中均匀搅拌后装在喷射器中喷射出后形成平均密度小于电解液密度的凝固颗粒；大号泡沫球d 7‑1是直径较大的泡沫塑料球，密度小于盐水液体密度，其直径略小于环形磁体a 3‑1和环形磁体b 3‑2之间的间隙；

[0081] 前期实验准备：将盛液装置1放置于环形磁体a 3‑1与环形磁体b 3‑2的上方一定位置处于水平固定于竖直杆5‑1上，并将环电极2固定于盛液装置1内侧底部，环电极2连接直流电源正极，柱形电极(如，电池碳棒)4连接直流电源负极，在盛液装置1中加入电解液(电解液要浸没环电极2)，调节盛液装置1与环形磁体a 3‑1与环形磁体b 3‑2的间距使得电解液液面布满漂浮的全同泡沫铁磁质小球7整体(集合)呈现的明显的凹凸曲面的几何形状(在环形磁体a 3‑1与环形磁体b 3‑2磁场的作用下电解液表面由平面变成曲面使得电解液的表面积增大，铺设单层不够用，根据实际铺设数量只要能达到明显的凹凸曲面的几何形状，也就是控制环形磁体a 3‑1与环形磁体b 3‑2和电解液间距及电解液的量，如，使凹凸曲面的最高和最低高度差在3mm以上肉眼能分辨即可，可以通过盛液装置1在侧面画出的等高线观察凹凸曲面的最高和最低高度差)；在电解液表面上对应环形磁体a 3‑1与环形磁体b3‑2之间放置一个大号泡沫球d 7‑1；为了记录方便，把录像设备架起来镜头正对整个装置(全同泡沫铁磁质小球7、柱形电极4在镜头的视野范围内清晰可见)开始录像；接通直流电源开关后，柱形电极4浸没电解液的柱形电极4表面上有大量气泡产生；

[0082] 实验1、在直流电源的情况下，接通电源开关，环电极2接电源正极，柱形电极4连接直流电源负极，在没有加环形磁体a 3‑1与环形磁体b 3‑2前，电解液上面全同泡沫铁磁质小球7没有明显运动趋势；加环形磁体a 3‑1与环形磁体b 3‑2后，在环形磁体b 3‑2的S极上面的a型全同泡沫铁磁质小球7随着电解液(盐水)流顺时针转动(俯视看)，在环形磁体a 3‑1的N极a型全同泡沫铁磁质小球7随着电解液(盐水)流逆时针转动；也就是从凹凸曲面的几何形状空间分布看，在电解液表面液面最低凹曲处(数学上的极值)处，a型全同泡沫铁磁质小球7环绕转动角速度大(相对液面最低凹曲处之外)；在环形磁体a 3‑1与环形磁体b 3‑2之间对应的电解液表面处于水平面处(临界位置，运动方向反向过渡位置)，几乎看不到a型全同泡沫铁磁质小球7环绕运动(受洛伦兹力的旋转)；

[0083] 实验2、在直流电源的情况下，接通电源开关，环电极2接电源正极，柱形电极4连接直流电源负极，用马蹄形磁体(U型磁体)代替环形磁体a 3‑1与环形磁体b 3‑2(马蹄形磁体的两个极N极和S极，磁极在U型磁体的两端面处，柱形电极4仍处于盛液装置1中心，马蹄形磁体仍处于如附图1(e)位置)，所呈现的漂浮的a型全同泡沫铁磁质小球7(的集合)整体呈现凹凸曲面的几何形状与环形磁体a 3‑1与环形磁体b 3‑2情形不同，磁极附近下凹明显；接通电源开关后，观察到a型全同泡沫铁磁质小球7随着电解液(盐水)流从对应N极处逆时针转动与从对应S极处顺时针转动，导致在两磁极(N、S)之间的电解液上涌(N、S之间的电解液受到向上洛伦兹力，相对于接通电源开关前)，或下凹(N、S之间的电解液受到向下洛伦兹力，相对于接通电源开关前)；

[0084] 实验3、在直流电源的情况下，进一步的，所述的全同泡沫铁磁质小球7，如果考虑泡沫外表面的铁粉或地热沉积粉末浸水(电解液)影响平均密度，可以在铁粉或地热沉积粉末外面再电镀一层薄铝膜，这样制成的全同泡沫铁磁质小球7外表是导体层，记为b型全同泡沫铁磁质小球7；或用熔化石蜡在铁粉或地热沉积粉末外包裹一层(绝缘层)，但这样制成的全同泡沫铁磁质小球7外表绝缘了，记为c型全同泡沫铁磁质小球7；也就是将所述的全同泡沫铁磁质小球7分别使用b型全同泡沫铁磁质小球7和c型全同泡沫铁磁质小球7，重复实验1和实验2的操作过程，观察记录并通过电脑比对(b型全同泡沫铁磁质小球7和c型全同泡沫铁磁质小球7)实验现象；

[0085] 实验4、进一步的，将上面实验1、实验3中的所述的直流电源换成超低频电源，也就是将所述的全同泡沫铁磁质小球7分别使用a型全同泡沫铁磁质小球、b型全同泡沫铁磁质小球7和c型全同泡沫铁磁质小球7重复实验1、实验3的操作过程，超低频电源的频率从最低频率逐渐增加，观察记录频率在最低档位时和高档位时的电解液面及全同泡沫铁磁质小球7运动规律，并通过电脑比对a型全同泡沫铁磁质小球、b型全同泡沫铁磁质小球7和c型全同泡沫铁磁质小球7的实验现象；让学生观察分析规律的成因，有利于对交变电流(电场驱动方向周期性变化)情况下的洛伦兹力认识；在电源输出为最低频率，如频率为0.1赫兹，可以看到在电解液对应环形磁体a 3‑1与环形磁体b 3‑2的凹液面上全同泡沫铁磁质小球7之间交替反向运动，也就是全同泡沫铁磁质小球7集体逆时针(或顺时针)运动，过了一会又顺时针(或逆时针)运动，这样周期性的交替进行(也就是说在10秒内定向转动能够被视觉明显察觉到)；随着输出频率升高逐渐的趋于只用人眼的视觉(直接)看不到顺时针和逆时针的周期性运动(如果用录像设备录像在电脑中慢放也能察觉到周期性的转动)现象；

[0086] 实验5、进一步的，如果把全同泡沫铁磁质小球7替换为全同泡沫铁磁质小柱状体，所述的全同泡沫铁磁质小柱状体是泡沫柱状体的下端固定铁磁质材料，也就是全同泡沫柱状体重心在全同泡沫柱状体浮力中心下方(泡沫柱状体可以在电解液中竖直漂浮)，在电解液面上离散着竖直放置一层全同泡沫铁磁质小柱状体(不用像全同泡沫铁磁质小球紧密排列，可以离散放置，主要通过浮力看全同泡沫柱状体浸润深度来显示磁场强弱)，将环形磁体a 3‑1与环形磁体b 3‑2在盛液装置1的底部时全同泡沫柱状体的上表面的集合形成空间曲面(全同泡沫柱状体的高度保证不能全部浸没，下表面也不能触及盛液装置1的内底面，也就是保持悬浮)，代表着磁场空间强弱分布，重复实验1操作过程；

[0087] 实验6、进一步的，如附图5，接通电源开关，环电极2接电源正极，柱形电极4连接直流电源负极；在接通直流电源前，在盛液装置1中装一定量的电解液为NaCL的水溶液，将酚酞溶液加入NaCL的水溶液中搅拌均匀，液面静止后加入一层全同泡沫铁磁质小球，加环形磁体a 3‑1与环形磁体b 3‑2调整环形磁体a 3‑1与环形磁体b 3‑2与盛液装置的距离，使电解液液面的全同泡沫铁磁质小球集合形成明显凹凸空间曲面，把录像设备架起来镜头正对整个装置(看清全同泡沫铁磁质小球、柱形电极)在镜头的视野范围内清晰可见，开始录像；接通直流电源开关后，改变电源输出电压，观察红色线束运动，与全同泡沫铁磁质小球的运动比对分析；大号泡沫球d 7‑1被环形磁体a 3‑1和环形磁体b 3‑2吸附的全同泡沫铁磁质小球7约束在环形磁体a 3‑1和环形磁体b 3‑2之间，受到大号泡沫球d 7‑1边缘的液体反方向推到作用伴随有明显的自旋现象，这一点取决于大号泡沫球d7‑1边缘的液体给的作用，如果大号泡沫球d 7‑1边缘的液体反方向推到作用力相等就呈现自转，否则就环绕柱形电极4旋转同时伴随自转。

[0088] 实验7、进一步的，在实验6中电源换为超低频电源，重复实验6操作过程演示，观察现象；

[0089] 还包括另一种盛液装置1：实验时候，如果将环形磁体a 3‑1和环形磁体b 3‑2之上放置带有透明密封盖的盛液装置1，两条绝缘包皮导线的一头连接在电源开关，另一头穿过盛液装置1分别与柱形电极4和环电极2连接密封(绝缘包皮导线与盛液装置1之间密封)，实验的时候防止有害气体溢出，也便于携带且不溢出电解液；

[0090] 实验8、在实验中电源换为高压静电电源，柱形电极(如，电池碳棒)4阴极附近与电解液(NaCL的水溶液)之间被形成(吹成)空气隔离层，看到与所述的直流电源(输出电压3V‑24V)，或者超低频电源实验情形之外的实验现象。